JP4554118B2

JP4554118B2 - 音叉型角速度センサ素子の製造方法

Info

Publication number: JP4554118B2
Application number: JP2001215111A
Authority: JP
Inventors: 三十四梅木; 孝弘井上
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2021-07-16
Also published as: JP2003028645A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置制御等に適用される水晶振動子を用いた音叉型角速度センサ素子（音叉型センサとする）の製造方法を産業上の技術分野とし、特に音叉振動とコリオリの力による垂直振動との振動周波数差（離調周波数とする）を容易に制御し得る製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）水晶振動子を用いた音叉型センサは、例えばセラミック振動子に比較して周波数温度特性等に優れることから注目を浴び、近年になって実用化に至っている。これらは、自動車の誘導システムやカメラの手ぶれ防止等に使用され、量産化が進行している。
【０００３】
（従来技術の一例）第４図は一従来例を説明する音叉型センサの図である。
音叉型センサは、基部１と一対の腕部２（ａｂ）を有する音叉状水晶片３からなり、結晶軸（ＸＹＺ）のＺ軸に主面が概ね直交したＺ板から形成される。但し、長さＬはＹ軸、幅ＷはＸ軸、厚みＴはＺ軸である。一対の腕部２（ａｂ）の一方には音叉振動を励振する駆動電極４を、他方にはコリオリの力を検出するセンサ電極５を有する。駆動電極４及びセンサ電極５は、基部１に設けられた図示しない導出電極と接続する。これらは、例えば水晶ウェハのエッチングによって、外形加工及び各電極が形成される。そして、図示しないベースに基部１を保持して密閉容器内に収容し、端子を導出していた。
【０００４】
このようなものでは、第５図の上面図に矢印で示したように、一方の腕部２ａを励振すると屈曲振動によって水平方向に振動し、他方の腕部２ｂが共振して音叉振動を生ずる。そして、一対の腕部２（ａｂ）に回転力が加えられると、各腕部２（ａｂ）には互いに反対方向となる垂直方向の力が生じて同方向に屈曲（垂直振動）する。そして、他方の腕部２ｂに設けられたセンサ電極５によって屈曲振動による電荷を検出し、これにより回転力を認知する。なお、各腕部内の矢印は印加される電界方向である。
【０００５】
このような音叉型センサでは、音叉振動と垂直振動との振動周波数ｆd、ｆsは近いほど感度は高くなるが、近すぎると例えばＳ／Ｎ比が悪化する。したがって、音叉振動と垂直振動とは実験に基づく最適な離調周波数Δｆ（＝ｆd−ｆs）をもった振動周波数ｆd、ｆsに設定され、感度及び検出精度を高めている。音叉振動及び垂直振動の振動周波数ｆd、ｆsは、それぞれｆd＝ｋ1・Ｗ／Ｌ²、ｆs＝ｋ2・Ｔ／Ｌ²で決定される。但し、ｋ1、ｋ2はそれぞれ固有の周波数定数、Ｗは腕部２の幅、Ｔは同厚みである。
【０００６】
例えば音叉振動を17ＫＨｚとすると、最終的な離調周波数Δｆ0は250Ｈz±50Ｈz程度に設定される。そして、音叉状水晶片３の外形加工時における離調周波数Δｆは300Ｈz±100Ｈz程度に設定される。なお、音叉状水晶片３をベースに保持した後に例えば腕部２（ａｂ）の先端を削って音叉振動の振動周波数ｆdを制御して、最終的な離調周波数Δｆ0が微調整される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の音叉型センサでは、理論上では、音叉状水晶片３の外形加工時における離調周波数Δｆ1は腕部２（ａｂ）の寸法比（Ｌ、Ｗ、Ｔ）を設定することによって一義的に得られるが、現実的には加工誤差等に起因して規格内にすることが困難であった。
【０００８】
（発明の目的）本発明は、離調周波数の調整を容易にした音叉型センサの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、水晶ウェハをエッチングして複数の音叉状水晶片を有する一体化音叉状水晶片（一体化水晶片とする）を形成し、一体化水晶片から一部の音叉状水晶片を抜き取って駆動電極及びセンサ電極を形成して初期の離調周波数Δｆ1を測定し、この初期の離調周波数Δｆ1に基づいて一体化水晶片（音叉状水晶片）の腕部側面のエッチング時間を設定して、離調周波数Δｆを制御したことを基本的な解決手段とする。
【００１０】
【作用】
本発明では、一体化水晶片の一部を抜き取った音叉状水晶片の初期の離調周波数Δｆ1を測定した後、音叉腕のエッチング時間を制御するので、離調周波数Δｆを確実に規格内にする。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１１】
【実施例】
第１図乃至第３図は、本発明の一実施例を説明する音叉型センサの製造工程図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
音叉型センサは、前述したようにＺ板とした水晶ウェハ６から形成される。ここでは、先ず、水晶ウェハ６の両主面に金（Ａu）とした金属膜７をスパッタによって形成する。そして、エッチングによって金属膜７の一部を除去し、水晶ウェハ６の両主面に音叉状水晶片３となる互いに連結した複数のマスク７ａを形成する。なお、水晶ウェハ６は直径が約７ｃｍで、音叉状水晶片３は約300個程度形成される。
【００１２】
次に、マスク７ａを設けた水晶ウェハ６をエッチング液例えばＢＨＦ（バッファードフッ酸）液中に投入してエッチングし、マスク７ａ以外の露出部を切除する。これにより、複数の音叉状水晶片３が連結した一体化水晶片８を得る。そして、一体化水晶片８をエッチング液中から取り出し、例えば中央部及び外周部の５箇所から音叉状水晶片（モニタ用水晶片とする）３ａを抜き取る。
【００１３】
次に、モニタ用水晶片３ａの主面のマスク７ａ（金属膜７、Ａu）をエッチングして、主面側の駆動電極４等を形成する。また、モニタ用水晶片３ａにおける一対の腕部２（ａｂ）の側面にも金属膜７を設ける。そして、モニタ用水晶片３ａを励振して音叉振動及び垂直振動の振動周波数ｆd、ｆsを測定し、初期の離調周波数Δｆ1を認知する。
【００１４】
次に、初期の離調周波数Δｆ1から、一対の腕部２（ａｂ）の幅をいくつにすれば即ち側面をどれだけエッチング（切除）すれば規格内の離調周波数Δｆが得られるかを算出する。そして、規格内の離調周波数Δｆとするためのエッチング量に応じたエッチング時間を設定する。
【００１５】
次に、両主面にマスク７ａを有する一体化水晶片８をエッチング液中に投入して、先に設定された時間エッチングする。これにより、側面から規定量を切除して、0.1μmオーダで音叉腕の幅Ｗを小さくする。そして、一体化水晶片８をエッチング液中から取り出して、前述同様に新たなモニタ用水晶片３ａを抜き取るとともに駆動電極４及びセンサ電極５等を形成して第２の離調周波数Δｆ2を測定する。
【００１６】
次に、第２の離調周波数Δｆ2が規格を満足していれば、音叉状水晶片３の外形加工を終了する。そして、第２の離調周波数Δｆ2が規格外であれば、再度、規格を満足するエッチング量を算出して一体化水晶片８を再エッチングする。そして、モニタ水晶片３ａが規格を満足するまで、これらの工程を繰り返す。
【００１７】
最後に、モニタ用水晶片３ａが規格を満足して一体化水晶片８（各音叉状水晶片３）の外形加工を終了したら、モニタ用水晶片３ａと同様にして一体化水晶片８の状態で一体的に駆動電極４及びセンサ電極５等を形成する。そして、一体化水晶片８から、各電極を有する個々の音叉状水晶片３に分離する。なお、初期の離調周波数Δｆ1が規格内であれば、同様に各電極を形成する。
【００１８】
このような製造方法であれば、一体化水晶片８からモニタ用水晶片３ａを抜き取り、駆動電極４及びセンサ電極５等を形成して初期の離調周波数Δｆ1を測定する。そして、規格内の離調周波数Δｆとなる幅との寸法差を算出して、その寸法差に応じたエッチング量及びエッチング時間を設定する。そして、一体化水晶片８をエッチングし、規格内の離調周波数となるまで繰り返す。したがって、各音叉状水晶片３を規格内の離調周波数Δｆに確実に合わせ込める。
【００１９】
また、この実施例では、腕部２（ａｂ）の側面をエッチングして幅方向の寸法のみを縮小して、厚みは一定とする。したがって、音叉振動の振動周波数ｆd（＝ｋ1・Ｗ／Ｌ²）のみが低下する方向で変化し、垂直振動の振動周波数ｆs（＝ｋ2・Ｔ／Ｌ²）は変化しない。これにより、離調周波数Δｆを調整しやすい。さらに、ここでは、一体化水晶片８の中央部及び外周部の５箇所からモニタ用水晶片３ａを抜き取るので、平均的なエッチング量及び時間を設定できる。
【００２０】
【他の事項（参考）】
上記実施例では、一体化水晶片８の側面をエッチングして音叉振動の振動周波数を低下させて離調周波数Δｆを調整したが、例えば次のようにしてもよい。すなわち、外形加工後に一体化水晶片８の両主面からマスク７ａ（金属膜７）を除去して、マスク７ａとしての金属膜７を側面に設けて主面をエッチングして離調周波数Δｆを調整してもよい。この場合は、音叉振動の振動周波数ｆdを一定として垂直振動の振動周波数ｆsが変化する。但し、外形加工時のマスク７ａをそのまま使用できるので、側面をエッチングした方が有利である。
【００２１】
また、腕部２（ａｂ）の側面又は主面をエッチングするとしたが、外形加工後に腕部２（ａｂ）の先端面のみを露出して長さ寸法を変化させて離調周波数Δｆを調整してもよい。この場合、音叉振動及び垂直振動の振動周波数ｆd＝（ｋ1・Ｗ／Ｌ²）、ｆs（＝ｋ2・Ｔ／Ｌ²）はいずれも変化するが、係数ｋ1とｋ2が異なるので各振動周波数ｆd、ｆsの変化量も異なる。したがって、離調周波数Δｆを調整できる。そして、長さ方向の変化は長さＬの２乗に反比例するので、僅かのエッチング量で周波数変化が大きくなり、調整時間を短縮できる。
【００２２】
また、マスク７ａによって音叉の先端部を斜め方向に露出して例えば各腕部２（ａｂ）の外側の稜線部から斜め方向にエッチングしてもよい。この場合でも、各振動周波数ｆd、ｆsが変化するので離調周波数Δｆを調整できる。さらには、各腕部２（ａｂ）の一方の対角部から他方の対角部に傾斜させて離調周波数Δｆを調整でき、これらは任意に適用できる。
【００２３】
また、水晶ウェハ６は単板として説明したが、±Ｘ軸方法を逆向きにして２枚の水晶ウェハ６を直接接合によって貼り合わせた場合でも適用できる（参照：特開平11-316125号公報）。そして、一方の腕部２ａに駆動電極４を、他方の腕部１ｂにセンサ電極を設けたが、各腕部２（ａｂ）に駆動電極４及びセンサ電極５を設けてもよく、これらは任意に設定できる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明（要点）は、一体化水晶片の一部を抜き取った音叉状水晶片の初期の離調周波数Δｆ1を測定した後、音叉腕の側面のエッチング時間を制御するので、離調周波数Δｆを確実に規格内にしてその調整を容易にした音叉型センサの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明する音叉型センサの製造工程図である。
【図２】本発明の一実施例を説明する音叉型センサの製造工程図である。
【図３】本発明の一実施例を説明する音叉型センサの製造工程図である。
【図４】従来例を説明する音叉型センサの図である。
【図５】従来例を説明する音叉型センサの上面図である。
【符号の説明】
１基部、２腕部、３音叉状水晶片、３ａモニタ用水晶片、４駆動電極、５センサ電極、６水晶ウェハ、７金属膜、７ａマスク、８一体化水晶片．

Claims

水晶ウェハのエッチングによって形成される基部と一対の腕部を有する音叉状水晶片からなり、前記一対の腕部を音叉振動させて互いに反対方向の垂直振動によってコリオリの力を検出してなる音叉型角速度センサ素子の製造方法において、
前記水晶ウェハの両主面に複数の音叉状水晶片となる互いに連結したマスクとしての金属膜を形成する工程と、
前記マスクを設けた水晶ウェハをエッチング液に投入して互いに連結した複数の音叉状水晶片に外形加工して一体化音叉状水晶片を形成する工程と、
前記一体化音叉状水晶片から一部の音叉状水晶片を抜き取ってモニタ用水晶片とし、前記モニタ用水晶片に前記音叉振動を励振する駆動電極と前記垂直振動を励振するセンサ電極を形成する工程と、
前記モニタ用水晶片の前記音叉振動と前記垂直振動とを励振して、前記音叉振動と前記垂直振動との振動周波数差を測定する工程と、
前記振動周波数差から前記一体化音叉状水晶片における前記音叉状水晶片の腕部の両側面のエッチング時間を設定し、前記金属膜はそのままとして前記音叉状水晶片の腕部の側面をエッチングし、前記音叉振動と前記垂直振動との振動周波数差を制御する工程とを備えたことを特徴とする音叉型角速度センサ素子の製造方法。